專利名稱：一種半攔截式高速微粒的速度測(cè)量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型涉及一種半攔截式高速微粒的速度測(cè)量裝置。
技術(shù)背景在涉及高速微粒的應(yīng)用中，往往需要精確地測(cè)量高速微粒的速度，此處所說(shuō)的 高速是指速度為千米/秒(km/s)量級(jí)及該量級(jí)以上?，F(xiàn)有技術(shù)中，用于測(cè)量高速微粒速度的技術(shù)，比如公開(kāi)號(hào)為CN2812008的專利 "一種前向散射激光測(cè)速裝置"中公開(kāi)的技術(shù)，該技術(shù)中通過(guò)收集微粒高速飛過(guò)位 于特定距離處的照明激光產(chǎn)生散射激光來(lái)測(cè)量微粒的達(dá)到時(shí)間，從而推算出微粒的 速度。但是，該文獻(xiàn)公開(kāi)的技術(shù)存在的不足在于散射激光的信號(hào)微弱，對(duì)信號(hào)處 理的要求高，使得儀器組成相對(duì)復(fù)雜，從而使儀器的成本高、可靠性較差。壓電測(cè) 速是另外一種常使用的測(cè)量高速微粒速度的方法，該方法通過(guò)收集高速微粒撞擊位 于特定距離處的鋼性物體時(shí)產(chǎn)生的沖擊波信號(hào)得到微粒的到達(dá)時(shí)間，然后推算出微 粒的速度，而微粒撞擊到柔性物體或液體的時(shí)就無(wú)法收集到?jīng)_擊波信號(hào)，也就無(wú)法 測(cè)量微粒的到達(dá)時(shí)間和推算微粒的速度。同時(shí)，微粒撞擊壓電材料產(chǎn)生的信號(hào)具有 較長(zhǎng)的振蕩周期，從而使得壓電測(cè)速很難分辨到達(dá)時(shí)間相離很近的撞擊信號(hào)，分辨 率較低。實(shí)用新型內(nèi)容本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是克服壓電測(cè)速技術(shù)中存在的分辨率較低以及無(wú) 法測(cè)量高速微粒撞擊到柔性或液體物質(zhì)時(shí)的微粒速度和散射激光測(cè)速裝置中儀器復(fù) 雜、可靠性低、成本高的不足，提供一種簡(jiǎn)單易行，測(cè)量精度高，信噪比高，抗電 磁干擾能力強(qiáng)，可靠性高的用于地面實(shí)驗(yàn)室和空間航天器測(cè)量的半攔截式高速微粒 的速度測(cè)量裝置。為了達(dá)到上述目的，本實(shí)用新型采取如下的技術(shù)方案-一種半攔截式高速微粒的速度測(cè)量裝置，包括第一電路回路和第二電路回路，
其特征在于，還包括第一電源、第一中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板、第一電阻串聯(lián)形 成第一電路回路；第二電源、第二中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板、第二電阻串聯(lián)形成第二電路回路； 一具有測(cè)量至少兩路輸入的電壓檢測(cè)裝置， 一路是與第一電阻并聯(lián)， 另一路與第二電阻并聯(lián)；所述第一中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板和第二中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板對(duì)齊設(shè)置在一微粒運(yùn)動(dòng)路徑上。在上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，還可以包括第一分壓電阻和第二分壓電阻分別 串聯(lián)在所述第一電路回路和第二電路回路中。在上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，所述電壓檢測(cè)裝置是示波器。在上述技術(shù)方案中，所述第一中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板和第二中間夾有絕緣 膜的對(duì)電極板結(jié)構(gòu)相同，都是由兩層是金屬膜和夾在金屬膜中間的絕緣膜組成。在上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，還包括第一支架和第二支架，所述兩個(gè)支架分 別包括圓環(huán)狀的夾子和底座固定在一起，所述第一中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板和所 述第二中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板分別夾持在所述第一支架和第二支架的圓環(huán)狀的夾子上。在上述技術(shù)方案中，進(jìn)一步地，所述第一電源和第二電源可以是合并在一起具 有兩路供電的電源。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)用新型的有益效果是1. 中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板很薄，等離子體導(dǎo)通的時(shí)間特別短， 一般可以小 于微秒(US),所以得到的時(shí)間信號(hào)的精度高，從而得到的速度測(cè)量的精度高；2. 能夠?qū)崿F(xiàn)在線測(cè)量，在應(yīng)用的過(guò)程中，采用工藝上盡可能薄的中間夾有絕緣 膜的對(duì)電極板，微粒撞擊并穿過(guò)中間夾有絕緣摸的對(duì)電極板僅損失很小的能量，即 微粒速度的測(cè)量對(duì)微粒速度的影響很小，或者進(jìn)一步通過(guò)其它方法能夠定量評(píng)估出 微粒高速撞擊并穿過(guò)中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板的過(guò)程對(duì)微粒速度的影響，能夠很 好的滿足高速微粒碰撞實(shí)驗(yàn)的要求；3. 本實(shí)用新型提取直流電路瞬時(shí)閉合/斷開(kāi)產(chǎn)生的大(mA量級(jí)甚至更高)電流/電壓脈沖信號(hào)進(jìn)行速度測(cè)量，信噪比高，抗電磁干擾能力強(qiáng)，有效探測(cè)面積可以做的盡可能大，探測(cè)效率高；4. 本實(shí)用新型容易實(shí)施，工藝簡(jiǎn)單，可靠性高，成本低。5. 本實(shí)用新型適合地面實(shí)驗(yàn)應(yīng)用，由于其結(jié)構(gòu)和輸出信號(hào)形式簡(jiǎn)單，可靠性高, 尤其適合與空間航天器應(yīng)用。

圖1是本實(shí)用新型進(jìn)行高速微粒速度測(cè)量的原理示意圖；圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例中的測(cè)量裝置的一個(gè)電路回路的電路圖；圖3是本實(shí)用新型一實(shí)施例中的中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板的結(jié)構(gòu)示意圖圖4是本實(shí)用新型一實(shí)施例中的中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板及其支架示意圖；圖5是本實(shí)用新型一實(shí)施例的電路圖；圖面說(shuō)明l-5-6-7--中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板 3——第一電源 3'——第二電源 -第一中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板所在的位置s,點(diǎn)-第二中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板所在的位置s2點(diǎn)-金屬膜 8——絕緣膜-支架10—10，l卜is-17—-第 一 中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板——第二中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板-螺絲釘 12——第一底座 12'-螺孔 14——第一分壓電阻 14'-第一電阻 15'——第二電阻 16--第二底座 -第二分壓電阻-示波器-微粒運(yùn)動(dòng)的路線-具體實(shí)施方式
以下結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式
對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)描述 本實(shí)用新型是利用高速(速度為km/s量級(jí)以上)微粒(直徑在幾十到幾百微米 量級(jí))撞擊中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板產(chǎn)生的等離子體瞬時(shí)導(dǎo)通原來(lái)處于斷路狀態(tài) 的電路，等離子體在很短時(shí)間內(nèi)收集完，之后電路又成為斷路狀態(tài)，在這個(gè)過(guò)程中 形成瞬時(shí)電流/電壓脈沖；通過(guò)電壓或電流脈沖，得到微粒的到達(dá)距離固定的兩個(gè)不 同位置處的時(shí)間信號(hào)，得到了時(shí)間，而兩位置間的距離是可以測(cè)量出來(lái)的，利用飛 行時(shí)間法得到微粒速度的高速微粒的速度測(cè)量技術(shù)。如圖1所示，高速微粒在tl時(shí)刻從Sl點(diǎn)撞擊并穿過(guò)薄膜，高速微粒撞擊薄膜 時(shí)在S1處會(huì)產(chǎn)生等離子體，在本實(shí)用新型中，所采用的薄膜是如圖2所示的三明治 結(jié)構(gòu)的薄膜，采用圖4所示的電路把薄膜連接起來(lái)，在兩金屬層上加上適當(dāng)?shù)碾妷海?br> 就可以在兩金屬層之間形成合適的電場(chǎng)，當(dāng)有等離子體產(chǎn)生的時(shí)候，原來(lái)處于短路 狀態(tài)的電路就導(dǎo)通了，等離子體在很短時(shí)間內(nèi)收集完，之后電路又成為斷路狀態(tài)， 在這個(gè)過(guò)程中形成瞬時(shí)電流/電壓脈沖；在圖5中，示波器上就會(huì)有一個(gè)電壓脈沖信 號(hào)出現(xiàn)，這個(gè)電壓脈沖信號(hào)就反映了高速微粒到達(dá)薄膜表面并從Sl點(diǎn)穿過(guò)的時(shí)間信 號(hào)tl。微粒從S1穿過(guò)后，其速度損失很小，繼續(xù)運(yùn)動(dòng)，到達(dá)第二片薄膜(第二片 薄膜與第一片薄膜結(jié)構(gòu)上完全一樣，電路連接圖也一樣)，并穿過(guò)這片薄膜。這樣微 粒到達(dá)第二片薄膜的時(shí)間信號(hào)也能夠測(cè)量出來(lái)。兩片薄膜之間的距離是一個(gè)固定值 也很容易確定，這樣微粒的速度就可以求出來(lái)。如圖5所示，半攔截式高速微粒的速度測(cè)量裝置，由第一電路回路和第二電路 回路組成，還包括第一電源3、第一中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板10、第一電阻15 串聯(lián)形成第一電路回路；第二電源3'、第二中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板10'、第二 電阻15'串聯(lián)形成第二電路回路；具有測(cè)量?jī)陕份斎氲碾妷簷z測(cè)裝置16， 一路是與 第一電阻15并聯(lián)，另一路與第二電阻15'并聯(lián)；所述第一中間夾有絕緣膜的對(duì)電 極板IO和第二中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板10'對(duì)齊設(shè)置在微粒運(yùn)動(dòng)路徑上。還包 括第一分壓電阻14和第二分壓電阻14'分別串聯(lián)在所述第一電路回路和第二電路 回路中。所述電壓檢測(cè)裝置16是示波器。所述第一中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板和第 二中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板結(jié)構(gòu)相同，都是由兩層是金屬膜和夾在金屬膜中間的 絕緣膜組成。第一支架和第二支架,所述兩個(gè)支架分別包括圓環(huán)狀的夾子和底座固定在一起， 所述第一中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板和所述第二中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板分別夾 持在所述第一支架和第二支架的圓環(huán)狀的夾子上。本實(shí)施例中的中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板，其主要結(jié)構(gòu)是如圖3所示的三明治 結(jié)構(gòu)，兩邊是金屬膜7，兩片金屬膜7中間是一層絕緣膜8，這樣就構(gòu)成了一個(gè)中間 夾有絕緣膜的對(duì)電極板，其中兩邊的金屬膜7的材料為鋁膜，厚度為幾微米到幾十 微米，金屬膜7的直徑為5cm;絕緣膜8的材料為有機(jī)膜，厚度為幾微米到幾十微 米u(yù)m，絕緣膜8完全均勻充滿兩個(gè)金屬膜7之間。當(dāng)在金屬膜7上加電壓的時(shí)候， 在兩金屬膜7之間就形成了一個(gè)電場(chǎng)，當(dāng)高速微粒撞擊到金屬膜7上的時(shí)候就會(huì)產(chǎn) 生等離子體，原來(lái)處于斷路狀態(tài)的電路就會(huì)導(dǎo)通，等離子體在很短時(shí)間內(nèi)收集完， 之后電路又變?yōu)閿嗦窢顟B(tài)。圖4所示的中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板支架包括圓環(huán)狀的夾子9、底座12，通過(guò)圓環(huán)狀的夾子9將圖3所示平行板中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板固定后就形成了 測(cè)量裝置中的靶，相當(dāng)于圖1中的靶點(diǎn)6。從兩個(gè)金屬膜7上引出電極，三明治結(jié) 構(gòu)的薄膜IO就構(gòu)成了時(shí)間獲取系統(tǒng)電路中的中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板。其中，為 了使得在速度的測(cè)量過(guò)程中高速微粒的速度損失更小，中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板 可以做的更薄。如圖2所示，直流電源的電壓為幾十伏到幾百伏，當(dāng)沒(méi)有微粒撞擊三明治結(jié)構(gòu) 的薄膜時(shí)，示波器上沒(méi)有信號(hào)，當(dāng)有高速微粒撞擊三明治結(jié)構(gòu)的薄膜時(shí)，將有等離 子體產(chǎn)生，等離子體把原來(lái)處于斷路狀態(tài)的電路導(dǎo)通，并且等離子體在很短的時(shí)間 內(nèi)收集完，之后電路又變?yōu)槎搪窢顟B(tài)，在這個(gè)過(guò)程中在示波器上將會(huì)有一個(gè)的電壓 脈沖信號(hào)，通過(guò)這個(gè)電壓脈沖就可以得到微粒到達(dá)三明治結(jié)構(gòu)的薄膜的時(shí)間信號(hào)。 其中，電源的電壓選擇必須合適，既要滿足當(dāng)微粒通過(guò)三明治結(jié)構(gòu)的薄膜時(shí)電路能 夠?qū)ǎ忠ＷC三明治結(jié)構(gòu)的薄膜不會(huì)被擊穿，其中第一電阻和第二電阻的選擇 必須合適，以保證電路中的電流不要過(guò)大從而導(dǎo)致器件的損壞，這些設(shè)置可以根據(jù) 具體的應(yīng)用條件進(jìn)行調(diào)整，本領(lǐng)域技術(shù)人員是可以勝任的，其中第一電阻是一個(gè)分 壓電阻。通過(guò)理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，發(fā)現(xiàn)當(dāng)高速微粒撞擊本實(shí)例所采用的三明治結(jié)構(gòu)的 薄膜時(shí)產(chǎn)生的等離子體的導(dǎo)通時(shí)間很短(在微秒以內(nèi))，所以，本發(fā)明應(yīng)用于高速微 粒速度測(cè)量時(shí)，微粒到達(dá)時(shí)間的測(cè)量精度高，從而使得速度的測(cè)量精度高。本發(fā)明利用高速微粒撞擊物體表面時(shí)產(chǎn)生的等離子體，來(lái)導(dǎo)通原來(lái)處于斷路狀 態(tài)的電路，并且等離子體在很短時(shí)間內(nèi)被收集完，之后電路又?jǐn)嚅_(kāi)，這樣在電路回 路中將形成一個(gè)脈寬很小的電流/電壓脈沖信號(hào)，通過(guò)該脈沖信號(hào)得到微粒到達(dá)物體 表面的時(shí)間信號(hào)，得到了時(shí)間信號(hào)，以及微粒在這段時(shí)間內(nèi)運(yùn)動(dòng)的距離，利用飛行 時(shí)間法就很容易推導(dǎo)出微粒的速度。本實(shí)施例測(cè)量微粒直徑范圍為10um—1000um， 微粒速度范圍為5km/s—20km/s。實(shí)際上，在圖1中，如果把時(shí)刻t,和位置S,點(diǎn)看作是微粒發(fā)出的時(shí)刻t,和初始 位置S,點(diǎn)，通常微粒發(fā)出的時(shí)刻t,和初始位置S,點(diǎn)是己知的，因此需要準(zhǔn)確確定微 粒運(yùn)動(dòng)一段距離后的位置和時(shí)刻就可以測(cè)量微粒的速度。這種情況下，就可以采取 實(shí)施例1中其中某一個(gè)電路回路就可以準(zhǔn)確確定微粒從發(fā)出到運(yùn)動(dòng)一段距離后的位 置和微粒到達(dá)該位置時(shí)刻，進(jìn)而測(cè)得其速度，這樣顯然節(jié)省一些電路成本。并且，本領(lǐng)域技術(shù)人員也應(yīng)該知道，如果不采用電壓檢測(cè)裝置，也可以采用在
電路回路中串聯(lián)電流檢測(cè)裝置的方法來(lái)檢測(cè)電路的導(dǎo)通與否，進(jìn)而判斷微粒撞擊中 間夾有絕緣膜的對(duì)電極板的時(shí)刻。最后所應(yīng)說(shuō)明的是，以上實(shí)施例僅用以說(shuō)明本實(shí)用新型的技術(shù)方案而非限制。 盡管參照實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)行了詳細(xì)說(shuō)明，本領(lǐng)域的普通技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解， 對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案進(jìn)行修改或者等同替換，都不脫離本實(shí)用新型技術(shù)方案的 精神和范圍，其均應(yīng)涵蓋在本實(shí)用新型的權(quán)利要求范圍當(dāng)中。
權(quán)利要求1、一種半攔截式高速微粒的速度測(cè)量裝置，包括第一電路回路和第二電路回路；其特征在于，第一電源、第一中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板、第一電阻串聯(lián)形成第一電路回路；第二電源、第二中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板、第二電阻串聯(lián)形成第二電路回路；一具有測(cè)量至少兩路輸入的電壓檢測(cè)裝置，一路是與第一電阻并聯(lián)，另一路與第二電阻并聯(lián)；所述第一中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板和第二中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板對(duì)齊設(shè)置在一微粒運(yùn)動(dòng)路徑上。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述半攔截式高速微粒的速度測(cè)量裝置，其特征在于，還包 括第一分壓電阻和第二分壓電阻分別串聯(lián)在所述第一電路回路和第二電路回路中。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述半攔截式高速微粒的速度測(cè)量裝置，其特征在于，所述 電壓檢測(cè)裝置是示波器。
4、 根據(jù)權(quán)利要求1所述半攔截式高速微粒的速度測(cè)量裝置，其特征在于，所述 第一中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板和第二中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板結(jié)構(gòu)相同，都是 由兩層是金屬膜和夾在金屬膜中間的絕緣膜組成。
5、 根據(jù)權(quán)利要求1所述半攔截式高速微粒的速度測(cè)量裝置，其特征在于，還包 括第一支架和第二支架，所述兩個(gè)支架分別包括圓環(huán)狀的夾子和底座固定在一起， 所述第一中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板和所述第二中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板分別夾 持在所述第一支架和第二支架的圓環(huán)狀的夾子上。
專利摘要本實(shí)用新型公開(kāi)了一種半攔截式高速微粒的速度測(cè)量裝置，包括第一電路回路和第二電路回路，第一電源、第一中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板、第一電阻串聯(lián)形成第一電路回路；第二電源、第二中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板、第二電阻串聯(lián)形成第二電路回路；一具有測(cè)量至少兩路輸入的電壓檢測(cè)裝置，一路是與第一電阻并聯(lián)，另一路與第二電阻并聯(lián)；所述第一中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板和第二中間夾有絕緣膜的對(duì)電極板對(duì)齊設(shè)置在一微粒運(yùn)動(dòng)路徑上。本實(shí)用新型優(yōu)點(diǎn)在于能夠?qū)崿F(xiàn)在線測(cè)量、速度測(cè)量精度高、信噪比高、抗電磁干擾能力強(qiáng)、裝置成本低、探測(cè)效率高。
文檔編號(hào)G01P3/64GK201016990SQ20062013408
公開(kāi)日2008年2月6日 申請(qǐng)日期2006年10月17日 優(yōu)先權(quán)日2006年10月17日
發(fā)明者全榮輝, 封國(guó)強(qiáng), 張振龍, 李宏偉, 李小銀, 蔡明輝, 韓建偉, 黃建國(guó) 申請(qǐng)人:中國(guó)科學(xué)院空間科學(xué)與應(yīng)用研究中心